真空开关投切电容器组过电压问题及其对策

1、真空开关投切电容器组的过电压问题及其对策2.3.2 真空开关开断三相电容器组时的重燃现象及其过电压按运行状况，开断电容器组重燃过电压有无故障单相重燃、带故障单相重燃和两相重 燃三种类型。1、无故障单相重燃如上所述，当 t 180 时，真空开关 A 相的断口恢复电压可以达到相电压幅值的 2.5 倍，因此发生重燃的几率较大。 假定此时 A相重燃， 由于线路中电感元件和电容器对地电容 的影响，线路中将会产生高频振荡。由于 CN C，高频振荡过程中可以将电容器组C视为电压源，忽略线路的损耗，重燃相对地最大过电压 Uma为：Uma 2 ( 1) 1.5 3.5中性点对地电压幅值为：U mN Uma Ua

2、N 3.5 1 4.5由于中性点出现过电压 UmN ，相应地，非重燃相也出现过电压：Umb UmN UbN4.5 0.37 4.13Umc UmN UcN 4.5 1.37 5.87可见，开断中性点绝缘的三相电容器组，如果单相重燃，过电压主要加在电容器组中 性点与地之间， 电容器极间无过高的过电压。 重燃相过电压并不是最高的， 往往是通过中性 点传递至不重燃的二相中的一相， 成为过电压最高相。 此时真空开关非重燃相的断口恢复电 压将分别为：utrB 0.5 ( 4.13) 4.63utrC 0.5 ( 5.87) 6.371 / 15显然，此时的断口恢复电压已经超过了真空开关的工频绝缘水平，极

3、有可能导致断口击穿。 如果击穿产生在真空灭弧室内部， 则单相重燃变成了两相重燃， 电容器组上将会出现 最高可达三倍的过电压； 如果击穿产生在真空灭弧室外部， 就会出现外绝缘闪络， 并进一步 引起相对地或相间放电， 最终发展成两相或三相短路，导致开关损坏， 成为永久性故障。短 路故障发生时电源和电容器组同时向短路点供电， 电容器组上的残余电压得以快速泄放， 因 此真空开关的外绝缘闪络不会在电容器组产生过电压。在实际运行中，经常会出现因真空灭弧室外绝缘闪络而导致的开关柜烧毁，而工频耐 压低得多的电容器组却未见异常的现象，这种现象正是单相重燃过电压所为。还需要特别指出的是，在三相电容器组回路中，由于

4、对地电容的影响，即使是单相复 燃（ 在小于 1/4 周期内重燃 ） ，非复燃相中也会出现过电压， 过电压主要作用在真空开关的断 口上，这一点与单相电容器组回路和空载电缆有着明显的不同。2 / 15图 2-7 无故障开断电容器组单相重燃过电压 9(a) t=0 ，A相电压为最大值时， A 相断开；(b) t= /2，B、C相间电压为最大值时， B、c 相断开；(c) t= / ，A 相电压为反极性最大值时，断路器断口间电压。2、带故障单相重燃中性点不接地电网允许单相接地持续运行2h，有可能遇到在单相接地时要开断电容器组。现以系统母线侧单相接地时开断电容器组为例，进行分析。3 / 15图 2-8

5、带故障开断电容器组单相重燃过电压 9(a)A 相断开； (b)B 、 C相断开； (c)A 相即将重燃如图 2-8 所示。 uA Umcos t，设 C相接地， A相为首开相， t 0时A相开断。开断后各相电容器上的残留电压参见图 2-8(a) 所示。仍令 U m =1，则 A 相电容残留电压为 1.0 ，B相和 C相各为 0.5，因 C相接地，此时中性点对地位移电压为0.5 。经 1/4 周期时间， B、C相开断， 如图 2-8(b) 所示。 C相残留电压为 (-0.5-0.87)=-1.37 ， B 相残留电压为 (-0.5+0.87)=0.37 ，中性点电压为 (0.5+0.87)=1.

6、37 。再经 1/3 周期，断路器 A 相触头间恢复电压为最大，达 (2.37+1.73)=4.1 ，B、C相分别 为 2.61 和 0，如图 2-8(c) 所示。 A 相重燃，不计回路损耗，振荡过程最大过电压为Uma 2 ( 1.73) 2.37 5.83 中性点对地最大过电压UmN Uma UaN 5.83 1 6.83B相和 C 相过电压分别为Umb UmN UbN6.83 0.37 6.46Umc UmN UcN 6.83 1.37 8.20此时真空开关相的断口恢复电压为utrB0.87 ( 6.46) 5.59utrC 0 ( 8.20) 8.204 / 15显然， 电源侧单相接地时

7、， 首开相的工频恢复电压幅值高达相电压幅值的 4.1 倍，真空 开关发生单相重燃的概率大大增加， 而单相重燃发生后产生的过电压比无故障开断要高， 因 此危害更大。在 40.5kV 电压等级，几乎可以肯定真空开关在高达相电压幅值 4.1 倍的工频恢复电压 作用下会发生重燃现象， 由于该电压等级产品的爬电比距小， 产生真空灭弧室外绝缘击穿的 概率大大增加，因此应避免真空开关在这种条件下进行开断操作。3、两相重燃从上述单相重燃的分析可知，如 A 相为首开相， A相重燃，则 C相过电压最高。由于单 相重燃时回路的振荡频率很高， 中性点对地电容 CN 上的电压在很短时间内上升， 有可能立 即导致 C相断

8、口击穿，形成两相重燃。另外， 若断路器分闸非同期时间过长，如果B 相延迟分闸至 A 相重燃之后，虽然是 A相单相重燃，实质上与两相重燃相同。以 A、C相相间电势最大时，断路器 A、C 相同时重燃为例。 由于此时发生重燃的两相构 成了振荡回路， 因此可以忽略中性点对地杂散电容的影响， 由此我们也可以预见到这种情况 下的中性点对地电位不会很高。 考虑到线路损耗电阻很小， 可以忽略， 因此其等值电路如图 2-9 所示。图 2-9 两相重燃过电压 9设相间电势 uCA3U m cos t，LS、 L1分别为电源漏抗和串联电抗器电感，Ca、Cc 为 A、C 相补偿电容，令Um=1， L=2( LS+L1

9、) ， C=Ca /2= Cc /2 ，1LC在两相重燃之前，首开相 A 相断弧时，在 Ca上留下残留电压5 / 15a12接着， B、 C相断弧时， Cc 留下的残留电压212t 0时, 两相重燃，形成图 2-5 等值电路，列电路方程，通过运算法求解，得电容器极间电压)UNaUNc因 1 ，当 1t时，可近似认为 t 0 ，0 ，于是，两相重燃时电容器极间最大过电压分别为Uma0.237 23 ( 2.05) 3.122Umc0.37 3 2.05222.73即 A 相电容器极间最高过电压为额定电压幅值的3.1 倍，C相为 -2.73 倍，A相和 C相电容器相间过电压可达 5.83 倍。当然

10、，在实际运行中由于线路阻抗的存在，过电压要低于 此值。从上可知，两相重燃过电压主要作用在电容器极间绝缘上，对地电压并不高。2.4 本章小结通过前面的分析和讨论，我们可以得出如下结论：6 / 151、在正常线路条件下重燃是导致过电压的根本原因，没有重燃就没有过电压；2、单相重燃的发生概率最高，此时保护的重点是中性点对地和非重燃相的断口；3、发生两相重燃时的过电压主要作用在电容器组上，因此保护的重点是电容器组的极间；4、线路出现单相接地故障大大增加了单相重燃和两相重燃的发生概率，且过电压倍数更高，应避免开关设备在这种条件下进行分闸操作。3.1 电容器组负荷的特殊性并联电容器组对任何开关设备来说都是

11、一种十分特殊的负荷， 这种特殊性具体表现在以 下几点：1、极间绝缘相对较弱并联电容器始终工作于额定电压和额定出力状态， 贮能大， 场强高， 但是由于其结构特 点方面的原因，其极间绝缘普遍比较薄弱。国标规定其极间工频耐压为 2.15 倍相电压，远 小于其他中压电器设备 3.5 4 倍相电压的绝缘水平。2、残压高且衰减缓慢由于电容器组电容量大， 开断后剩余电压的衰减亦十分缓慢， 即使有专用放电线圈， 电 容器上电压维持初始电压 90%以上的时间仍可达 10 余周波，若仅靠电容器内放电电阻，则 如此高的电压将维持数 s，加大了重击穿的可能性。 此外，由于电容器组一般串联了 6% 13% 的电抗器，

12、这一方面将提高电容器组的运行电压， 另一方面又将使得其剩余电压提高并最终 导致过电压倍数提高。3、过电压倍数相对较高根据前面的分析， 真空开关发生两相重燃时在电容器的极间出现 3.1 倍过电压， 这种过 电压对电容器组是非常不利的。 对于单相电容器组回路而言， 如果真空开关发生重燃， 理论 上还有可能导致过电压按 3、5、7 倍的规律增长，危害更大。4、接通电流大当开关设备关合并联电容器组时， 由于自身线路条件和其他电容器的影响， 线路中将会 出现幅值可以达到电容器组额定电流数十倍的合闸涌流，这对开关设备来说是个不小的冲7 / 155、缺乏有效的保护措施目前电力系统一般采用 MOA来保护电容器

13、组过电压，也有采用 RC装置的做法，但从总 体上将还是不能在发生两相重燃时有效电容器组。 此外， 由于两相重燃时的涌流大， 还有可 能导致保护电容器的熔断器损坏。电容器组负荷的特殊性从总体上讲可以归结为两点： 一是过电压倍数高， 另一个则是自 身的绝缘强度低。3.2 电容器组操作开关的特殊性如前所述， 与常规配电开关相比， 电容器组操作开关的运行条件是十分严酷的， 具体表 现在以下几个方面：1、工频恢复电压高由于容性负荷的电压电流相位差和电容器的记忆效应， 当开关开断电容器组回路时， 电 容器组上的电压为工频电压幅值， 并将会维持一段时间。 虽然安装了专用放电装置， 但由于 电容器组的容量较大

14、，衰减速度仍然十分缓慢，其残压维持在90%以上初始电压以上的时间仍会达到十余个周波。在电流过零后10ms，电源电压将与电容器组残压反向，这时开关的断口电压将达到两倍的相电压 18 。在三相电路中， 若某一相作为首开相开断， 考虑了首开相系数 (对中性点不接地系统为 1.5 )以后其工频恢复电压还会更高。以 40.5kV 为例，对常规负荷来说，开关的首开相恢复电压峰值为40.5 1.732 1.4141.5 49.6KV。若作为电容器组操作开关，其首开相恢复电压峰值将达到40.5 1.732 1.414 2.5 82.7KV，已接近 72.5 KV产品开断常规线路故障的首开相恢复电压峰值(72.

15、51.732 1.414 1.5 88.8KV )。此外，如果电容器组操作开关在电容器组的电源侧存在对地短路故障时进行分闸操作， 首开相将会出现 4.1 倍的断口工频恢复电压，这种条件对任何开关来说都是非常严酷的。2、关合电流大，开断电流小当真空开关关合并联电容器组时， 由于其他电容器的影响， 线路中将会出现幅值可以达 到电容器组额定电流数十倍的合闸涌流， 这么大的电流将会使真空开关的电极出现熔焊。 当 真空开关开断电容器组电流时， 由于电流相对较小， 只有一部分被拉断的熔焊斑经过电流烧8 / 15 蚀而变得平滑， 另一部分熔焊斑则将保持被机械拉断时的断面， 这种断面的存在对电容器组 的绝缘是

16、十分不利的。 28此外， 由于电容器组额定电流较小， 开断操作对电极表面的电清除效应减弱， 而不断产 生的合闸熔焊又将使电极表面状况进一步恶化， 因此需要经过较多的开断操作才能有效清除 真空灭弧室的触头表面在其制造过程中粘附的杂质， 而这些杂质正是导致真空开关重燃的重 要因素。由于上述因素的影响， 真空开关往往在投运的初期表现出较高的重燃率， 随着运行次数 的增加，重燃率逐渐下降乃至消失。3、线路条件使得真空开关更容易发生重燃在真空开关开断过程结束后长达数秒的范围内， 由于机械振动的影响， 从真空灭弧室内 部电极表面脱落的带电粒子将有可能在外电场的作用下产生微放电现象， 由于这种放电的电 量很

17、小， 而且放电时间非常短暂， 通常被认为是无害的。 当真空开关作为电容器组操作开关 时，由于电容器组对地电容的存在， 三相电容器组回路的任何一相均具备对地形成高频震荡 的条件，这就使得微放电过程相对于常规负荷来说更易发展成为断口击穿，构成单相重燃。此外， 对于常规负荷来说， 单相击穿不构成放电回路， 因此从宏观上可以认为微放电是 无害的。 而对于电容器组负荷来说， 正是单相击穿和因之引起的两相重燃产生了危险的过电 压，从而导致真空开关自身乃至用电设备损坏。4、小开距熄弧现象电容器组操作开关开断并联电容器组时， 由于电容器和电抗器的固有相差， 使得电流过 零时线路压降全部作用在电容器组上， 而真

18、空开关的断口工频恢复电压则为零。 这种特殊的 开断条件使得电容器组操作开关可以在极小的开距下就能开断电流。如果在此后的 10ms 内电容器组操作开关仍未分闸到额定开距或者刚到额定开距，将极 有可能因开距偏小或反弹过大而在工频恢复电压的峰值附近发生重燃。 因此和常规负荷条件 下的操作开关相比，电容器组操作开关需要有更高的分闸速度。5、在单相接地故障情形下发生单相重燃不可避免如前所述， 当线路中存在单相接地故障时， 如果电容器组操作开关的首开相是非接地相， 则首开相将出现 4.1 倍的过电压，对于电压等级较高的真空开关（如 40.5kV ）发生重燃几 乎是必然的。9 / 15此外，由于 40.5k

19、V 电压等级的真空灭弧室爬电比距偏小，在高频率、高倍数过电压的 作用下发生外绝缘击穿的可能性大大提高，增加了开关设备损坏的概率。6、过电压倍数高，且没有针对开关设备的保护措施根据前面的分析， 当真空开关发生单相重燃时， 非重燃相将出现超过真空开关额定绝缘 水平的过电压，这种过电压除了会导致断口重燃以外，还有可能导致真空开关外绝缘击穿， 产生永久故障。在电力系统常用的 MOA保护方案中， 保护的对象是变压器和电容器组， 并未考虑将真空 开关作为保护对象。 即使 MOA将电容器组中性点电位限制在倍过电压， 真空开关的断口上 仍然有可能出现接近倍的过电压，这么高的过电压仍然会导致真空开关的非重燃相击

20、穿。7、真空开关的弧后耐压下降问题弧后耐压下降是高压开关电器的通病， 但由于工作原理的特殊性， 使得真空开关的弧后 耐压下降问题较其他开关更为明显，具体表现在两个方面： 、电弧作用后真空开关的静态绝缘水平（内绝缘）较电弧作用前有一定程度的下降， 下降幅度一般为 20%30%，因此如果系统中出现接近真空开关额定绝缘水平的操作过电压 时，有可能会产生断口击穿； 、电弧作用过程刚刚结束时的断口内绝缘处于不稳定状态， 容易在工频恢复电压作用 下产生高频放电。 这种放电在非容性负荷中往往不会有实质性的危害， 但在容性负荷中则大 多数会发展成断口贯穿。综上所述， 这种操作条件对真空开关来说是严酷的， 因此

21、要想完全消除重燃将会非常困 难，且随着电压等级的提高，重燃几率还有增加的趋势。3.3 实现电容器组操作开关无重燃的途径3.3.1 降低真空开关的重燃率 2 、4、10研究表明，真空灭弧室的制造质量和真空开关在分闸时发生的反弹是导致重燃的两个根 本原因，因此要实现大幅度降低真空开关的重燃率的目的，必须同时从这两个方面入手。从真空灭弧室的角度来讲， 必须从原材料、 制造工艺和装配环境等入手， 一方面确保真 空灭弧室内部电极的洁净度， 另一方面还要保证电极材料在电弧作用下不产生爆发性放气或 非金属杂质。10 / 15从整机的角度来讲， 必须合理设计操动机构的合分闸功和出力特性， 一方面确保不发生 分

22、闸反弹和合闸弹跳，另一方面还要保证其他特性如速度、压力等满足真空灭弧室的要求。试验证明，通过特殊方法使真空灭弧室的内部洁净度显著提高和降低开关的分闸反弹均 能在一定程度上起到降低真空开关重燃率的作用。3.3.2 采用更高电压等级的真空开关目前电网上也有采用更高电压等级的真空开关作为电容器组操作开关的做法， 比如采用40.5KV 的真空开关投切 12KV 的电容器组。在没有完全解决重燃问题以前，这个方法的优点 是可以降低重燃的发生几率，但其缺点也是明显的： 提高了工程造价； 安装和维护均不方便； 并不是对所有电压等级都适用的。3.3.3 采用 SF6 开关由于目前真空开关（尤其是 40.5kV

23、电压等级）还难以做到不重燃，一部分用户开始使 用 SF6 开关作为电容器组操作开关。 从目前的运行状况来看， 由于重燃导致的问题是大大减 少了，但又引起了新的问题：1、运行成本显著提高：由于 SF6 开关并不适合于频繁操作，其可靠机械寿命一般只有 真空开关的几分之一，这就意味着更换开关的频度增加。此外，SF6 开关价格一般是真空开关的数倍，大量使用势必使得电网投入较大。2、安装和维护均不方便： SF6 开关的维护和检测需要专门的人员和设备，这就使得用 户根本不可能进行现场维维护。3、漏气问题：目前国内乃至一部分国外企业生产的SF6 开关还不能保证在其运行寿命期间不产生有危害的泄漏， 这种泄漏一

24、方面必需通过专门的装置检测， 另一方面又不能在运 行现场进行维修。4、环保问题： SF6 是六种主要的温室效应气体之一，且 90%以上用在高压开关行业， 因 此在技术可以达到的场合是不推荐使用 SF6 开关产品的。5、故障破坏性强：根据前面的分析，如果电容器组操作开关在电容器组的电源侧存在11 / 15对地短路故障时进行分闸操作，首开相将会出现 4.1 倍的断口工频恢复电压，这种条件对 SF6 开关来说同样是严酷的。如果不能开断或开断后出现重燃，由于其内部气体压高达3 倍大气压，持续燃烧的电弧将会导致 SF6开关爆炸， 其危害就不会像真空开关那样仅仅是烧毁 开关本体了。此外， 近年来有不少关于

25、采用同步开关作为电容器组操作开关的文献报道，但均缺乏实际运行经验，因此不作为分析和讨论的对象。3.4 常用的过电压保护装置及其效果如前所述， 由于电容器组操作开关的特殊性， 要想使真空开关在这种使用条件下做到完 全无重燃从技术上讲是非常困难的，而且其代价也非常高。大量试验数据证明 23 ，国产 10kV 真空开关的重击穿率约 2%4%，经运行条件下的老练 后可降至 1%以下； 35kV 真空开关的平均重击穿率可达 10%左右，经运行条件下的老练后可 降至 4%以下。由于电容器组操作开关操作频繁，每年就有数百至上千次的操作，因此重击 穿所导致的过电压仍是不可忽视的重要问题。电压等级越高，这一问题

26、就越严重。因此， 通过在线路上安装有效的过电压保护装置对过电压进行抑制，是目前最现实也最有效的方法。3.4.1 采用 MOA作为过电压保护装置 4 、9、1214采用 MOA保护是限制过电压的有效措施。 MOA的保护效果与其接线方式有关。1、MOA并接在电容器和限流电抗器串联支路两端，如图 31 所示的 I 型保护接线方式。在发生单相重燃时， MOA安装点对地电压可控制在残压范围内，但电容器C 上的电压与限流电抗器 L1 上的电压在各种频率下都是反相的。显然，电容器上的电压必然大于残压。而二 相重燃时， 过电压主要作用在电容器极间绝缘上， 欲达保护的目的， 至少要求两相避雷器残 压之和低于两相

27、电容器极间绝缘耐压水平之和。 由于相对地的残压较高， 实现上述配合是困 难的。12 / 15图 3-1 型保护接线方式 图 3-2 型保护接线方式2、MOA接在电容器进线端，如图 32 所示的型保护接线方式。这种接线能控制电容 器相对地过电压及中性点对地电压， 减小两相重燃的概率， 但仍不能保护两相重燃时电容器 极间绝缘。3、MOA接成星形并联在电容器和限流电抗器串联支路两端，再在其中性点对地接一支 MOA，如图 3-3 所示的型保护接线方式。这种接线中星形连接的三支MOA的起始动作电压可低于 I 、型保护接线方式的 MOA的起始动作电压，再加上中性点对地有MOA，所以型保护接线方式在限制相对

28、地过电压、 极间过电压都比 I 、型保护接线方式优越。 但要求 MOA 吸收能量较大，在选择保护元件时应予注意。图 3-3 型保护接线方式图 3-4 型保护接线方式4、MOA接在电容器中性点对地，如图3-5 所示的 L 型保护接线方式。单相重燃，电容器极间过电压不高，主要是中性点对地（杂散电容 CN ）出现很高过电压，传递至非重燃相。中性点对地装有 MOA，限制中性点对地电压，也就限制了电容器对地过电压。这种接线的好 处是：在正常情况下， MOA基本上不受工频电压作用，大大减缓了老化速度，减小避雷器 损坏率； 可同时保护接在中性点的电压互感器； 使用 MOA支数最少， 既经济又便于维护； 接在

29、中性点，万一损坏，也不会引起短路事故。这种接线只能限制单相重燃过电压。13 / 15图 3-5 L 型保护接线方式5、MOA并接在电容器极间， 再在其中性点对地接一支 MOA，如图 3-4 所示的型保护接 线方式。此接线能比较完善地保护电容器组， 无论相对地、极间、 中性点对地以及相间的过 电压均能有效限制， 从原理上看是比较令人满意的方案。 但要在工程应用中实现这种接法却 十分困难，其原因主要有三个方面：这种接法中的接线比较复杂，在工程应用中不易实现，同样也不适用与改造工程。在这种接法中，一方面要求 MOA要长期承受至少一倍的相电压，且在合闸过电压的作 用下不动作，另一方面却又要保证在过电压达到 2.15 倍时可靠动作，要实现这种动作特性 对 MOA来说是非常困难的。 发生两相重燃时 MOA和电容器组构成并联支路， 将会出现电源和电容器同时对 MOA放 电的局面。 由于 MOA的阻抗很小， 流过 MOA的电流将会比较大， 这需要 MOA具有很大的通流 容量， 这个要求对于对 MO